1 Implementasi Sensor Kapasitif Pada Sistem Pengering Gabah Otomatis Yoni Widhi Prihana, Muhammad Rivai, Siti Halimah Baki Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: muhammad_rivai@ee.its.ac.id Abstrak Bulir padi atau gabah setelah panen memiliki kadar air yang masih tinggi sehingga memerlukan proses pengeringan agar dapat disimpan dalam jangka waktu yang panjang atau dilanjutkan pada proses penggilingan. Para petani padi biasanya terlebih dahulu mengeringkan gabahnya sebelum dijual dengan cara menjemurnya di terik matahari. Hal ini akan memerlukan halaman yang luas, bergantung pada cuaca dan waktu yang lama. Pada penelitian ini telah dibuat suatu alat pengering gabah yang mampu bekerja secara otomatis menggunakan energi listrik. Pada alat ini untuk mendeteksi kadar air gabah digunakan sensor kapasitif. Sensor ini terdiri dari dua elektroda yang bekerja berdasarkan prinsip kapasitansi dimana nilai kapasitansi suatu bahan tergantung pada nilai permitifitas bahan pemisah, luas penampang elektroda dan jarak pemisah antar elektroda. Hasil pengukuran sensor digunakan untuk mengendalikan panas yang dihasilkan oleh heater dengan menggunakan metode proportional integral derivatif (PID). Sistem ini menggunakan tabung pengering yang diputar agar didapat gabah kering yang merata. Untuk kepentingan pemerataan panas oleh heater maka digunakan blower yang akan memasukkan udara dari luar ke dalam tabung pengering. Sistem akan berhenti secara otomatis pada saat gabah berkadar air maksimum 14%. Hasil pengujian keseluruhan sistem menunjukkan bahwa alat ini telah mampu mengeringkan gabah dari kadar air 35% sampai mencapai 14% selama 140 menit. Kata Kunci Kadar air gabah, kontrol PID, sensor kapasitif, sistim pengering I I. PENDAHULUAN ndonesia merupakan negara agraris dimana sebagian besar penduduknya bermata pencaharian sebagai petani. Berdasarkan data Badan Pusat Statistik, pada tahun 2013 jumlah petani di Indonesia mencapai 31,7 juta orang yang mana dari jumlah tersebut 20,4 juta orang merupakan petani pangan. Diantara para petani pangan tersebut merupakan petani padi. Petani padi biasa menjual padi yang masih dalam bentuk gabah hasil panen mereka dalam keadaan kering. Berdasarkan inpres No 3 Tahun 2012 tentang Kebijakan Pengadaan Gabah/ Beras dan Penyaluran Beras Pemerintah, harga pembelian pemerintah (HPP) untuk gabah kering panen (GKP) dengan kadar air 18% - 25% adalah Rp 3300/kg ditingkat petani dan Rp 3350/kg ditingkat penggilingan sedangkan untuk gabah kering giling (GKG) dengan kadar air maksimum 14% adalah Rp 4150/kg ditingkat penggilingan dan 4200/kg di gudang bulog [1]. Oleh sebab itu, para petani padi biasanya terlebih dahulu mengeringkan gabahnya sebelum dijual dengan cara menjemurnya di terik matahari. Untuk dapat menjemur padi diperlukan sinar matahari yang cukup dan halaman yang luas. Permasalahan muncul ketika musim penghujan, para petani tidak dapat menjemur hasil padi mereka. Permasalahan ini akan bertambah apabila petani tidak memiliki halaman yang luas untuk menjemur padi. Pada penelitian ini telah diimplementasikan sensor kapasitif pada sistem pengering gabah, sehingga pengering gabah tersebut mampu menghasilkan gabah dengan tingkat kadar air maksimum 14%. Penelitian ini diharapkan mampu menjadi solusi bagi para petani untuk mendapatkan gabah dalam keadaan kering tanpa harus terpengaruh oleh sinar matahari dan halaman untuk pengeringan. II. METODE PENELITIAN A. Gabah Bulir padi atau gabah merupakan komoditas vital bagi Indonesia, Pemerintah memberlakukan regulasi harga dalam perdagangan gabah. Berdasarkan Instruksi Presiden Nomor 3 tahun 2012 tentang kebijakan pengadaan gabah / beras dan penyaluran beras oleh pemerintah, terdapat istilah-istilah khusus yang mengacu pada kualitas gabah sebagai dasar penentuan harga, Gabah Kering Panen (GKP), gabah yang mengandung kadar air lebih besar dari 18% tetapi lebih kecil atau sama dengan 25% (18%<KA<25%), hampa / kotoran lebih besar dari 6% tetapi lebih kecil atau sama dengan 10% (6%<HK<10%), butir hijau / mengapur lebih besar dari 7% tetapi lebih kecil atau sama dengan 10% (7%<HKp<10%), butir kuning / rusak maksimal 3% dan butir merah maksimal 3%. Gabah Kering Simpan (GKS), adalah gabah yang mengandung kadar air lebih besar dari 14% tetapi lebih kecil atau sama dengan 18% (14%<KA<18%), kotoran / hampa lebih besar dari 3% tetapi lebih kecil atau sama dengan 6% (3%<HK<6%), butir hijau/mengapur lebih besar dari 5% tetapi lebih kecil atau sama dengan 7% (5%<HKp<7%), butir kuning/rusak maksimal 3% dan butir merah maksimal 3%. Gabah Kering Giling (GKG), adalah gabah yang mengandung kadar air maksimal 14%, kotoran / hampa maksimal 3%, butir hijau / mengapur maksimal 5%, butir kuning/rusak maksimal 3% dan butir merah maksimal 3%.
2 Ketentuan-ketentuan itu dipakai Bulog dalam menentukan harga gabah / beras berdasarkan kualitasnya [1]. B. Sensor Suhu LM35 LM35 merupakan salah satu jenis sensor suhu yang merubah besaran suhu menjadi besaran tegangan. IC LM 35 sebagai sensor suhu yang teliti dan terkemas dalam bentuk Integrated Circuit (IC), dimana output tegangan keluaran sangat linier berpadanan dengan perubahan suhu. Sensor ini berfungsi sebagai pengubah dari besaran fisis suhu ke besaran tegangan yang memiliki koefisien sebesar 10 mv / C yang berarti bahwa kenaikan suhu 1 C maka akan terjadi kenaikan tegangan sebesar 10 mv. LM35 memiliki 3 buah pin. Pin1 sebagai supply (Vs), pin2 sebagai output, dan pin3 sebagai ground (GND) Gambar 1. Konfigurasi pin sensor suhu LM35 IC LM 35 ini tidak memerlukan pengkalibrasian atau penyetelan dari luar karena ketelitiannya sampai lebih kurang seperempat derajat celcius pada temperature ruang. Kisaran sensor mulai dari 55 C sampai dengan 150 C. IC LM 35 dapat dialiri arus 60 ma dari supply sehingga panas yang ditimbulkan sendiri sangat rendah kurang dari 0 C di dalam suhu ruangan. LM35 memiliki impedansi keluaran yang rendah, keluaran yang linear, dan sifat ketepatan dalam pengujian membuat proses interface untuk membaca atau mengontrol sirkuit lebih mudah. tingkat efek self-heating yang rendah yaitu 0,08 derajad Celcius. melepas muatan listrik kepada rangkaian, peristiwa ini disebut discharging. Kapasitor umumnya terbuat dari dua konduktor yang diantaranya terdapat materi dieleketrik. Umumnya bahan dielektrik adalah bahan isolator atau bahan yang tidak bisa menghantarkan listrik. Namun akibat adanya aliran listrik yang merupakan aliran elektron, atom penyusun dielektrik menjadi tidak seimbang dan akhirnya menimbulkan muatan-muatan listrik. Sehingga setiap bahan dielektrik memiliki nilai permitivitas masing-masing, yang akhirnya mempengaruhi nilai kapasitansi. Sensor kapasitif merupakan sensor elektronika yang bekerja berdasarkan konsep kapasitif. Sensor ini bekerja berdasarkan perubahan muatan energi listrik yang dapat disimpan oleh sensor akibat perubahan jarak lempeng, perubahan luas penampang dan perubahan volume dielektrikum sensor kapasitif tersebut. Konsep kapasitor yang digunakan dalam sensor kapasitif adalah proses menyimpan dan melepas energi listrik dalam bentuk muatan-muatan listrik pada kapasitor yang dipengaruhi oleh luas permukaan, jarak dan bahan dielektrikum[3]. dimana ε0 permitivitas ruang hampa (8,85.10-12 F/m), εr permitivitas relatif (udara = 1), A luas plat/lempeng dalam m 2, d jarak antara plat /lempeng dalam m [4]. Pada penelitian ini digunakan model sensor kapasitif silinder sejajar, (1) (2) (3) Gambar 3. Sensor kapasitif silinder sejajar Gambar 2. Grafik akurasi LM35 terhadap suhu[2] C. Sensor Kapasitif Kapasitor adalah salah satu komponen pada rangkaian listrik yang dapat menyimpan dan melepas energi listrik dalam bentuk muatan-muatan listrik. Saat pertama kali dihubungkan dengan sumber listrik, kapasitor akan mengisi dirinya dengan muatan-muatan listrik, peritstiwa inilah yang disebut dengan proses charging. Setelah penuh, kapasitor akan menghentikan arus listrik di dalamnya sehingga rangkaian listrik akan bersifat open. Namun saat sumber listrik dimatikan dari rangkaian, kapasitor dapat bersifat sebagai sumber listrik dengan cara dimana b Jarak pemisah antar silinder, a Jari jari silinder, L Panjang silinder [5]. D. Osilator CD4046B Pada penelitian ini CD4046B digunakan sebagai osilator yang digunakan untuk menghasilkan sinyal kotak dengan frekuensi yang bergantung dari sensor kapasitif. Gambar 4. CD4046B
3 kekurangan. Dalam implementasinya masing-masing cara dapat bekerja sendiri maupun gabungan dari ketinganya. Dalam perancangan sistem kontrol PID yang perlu dilakukan adalah mengatur parameter P, I, D agar tanggapan sinyal luaran sistem sesuai dengan masukan yang diinginkan pengguna. Beberapa pengaruh dari kontroler PID terhadap sistem adalah dapat memperbaiki respon transien, menghilangkan error steady state, memberikan efek redaman.[8] Gambar 5. Grafik karakteristik frekuensi output 4046 berdasarkan nilai kapasitor[6] E. Microcontroller ATMEGA32 Mikrokontroler ATMEGA32 memiliki clock kerja tinggi sampai 16 MHz, ukuran flash memorinya cukup besar, yaitu 32Kb kapasistas SRAM sebesar 2 KiloByte, 32 buah port I/O yang sangat memadai untuk berinteraksi dengan LCD dan keypad. Gambar 6. Konfigurasi pin ATMEGA32 Pada mikrokontroller terdapat Analog to Digital Converter (ADC) yang digunakan untuk mengubah sinyal tegangan analog menjadi informasi digital. ADC yang digunakan disini merupakan ADC 10 bit artinya ADC ini akan menghasilkan bilangan 0 sampai dengan 1023 untuk mewakili tegangan analog yang terbaca. Untuk keperluan pencacah biner, ATMEGA32 memiliki 3 buah timer yaitu timer/counter 0 yang besarnya 8 bit, timer/counter 1 yang besarnya 16 bit, dan timer/counter 2 yang besarnya 8 bit. Timer 1 digunakan untuk menghitung jumlah pulsa yang dihasilkan oleh osilator. Mikrokontroller juga dirancang untuk mengeluarkan outputan tegangan berupa Pulse Width Modulation (PWM) yang dinyatakan dalam duty cycle. PWM ini merupakan outputan dari kontroller untuk mengatur suhu heater.[7] F. Kontroler PID Sistem kontrol Proportional Integral Derivative (PID) adalah kontroler yang digunakan untuk menentukan ketepatan suatu sistem instrumentasi dengan apa yang diinginkan pengguna dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem tersebut (feedback). Sistem kontrol PID terdiri dari tiga buah kontroler, yaitu kontrol P (Proportional), D (Derivative), dan I (Integral), dengan masing-masing memiliki kelebihan dan G. Solid State Relay (SSR) SSR adalah sebuah perangkat semikonduktor yang dapat digunakan menggantikan relay mekanik untuk menghubungkan arus listrik ke beban. SSR biasanya mempunyai kemampuan mengisolasi listrik beberapa ribu volt antara kontrol dan beban. Karena isolasi ini, beban sendiri hanya diberi power dari switch line dan hanya akan terhubung apabila ada kontrol sinyal yang mengoperasikan relay. SSR berisi satu atau lebih LED di input (drive). Input ini menyediakan kopling optik sebuah phototransistor atau photodiode array, yang pada gilirannya menghubungkan ke sirkuit driver yang menyediakan sebuah interface ke perangkat switching atau perangkat pada output. Perangkat swithing biasanya MOS-FET atau TRIAC. Dalam sebuah perangkat solid-state relay, tidak ada perangkat yang akan menjadi aus karena pergerakan kontak/gesekan, dan mereka mampu menghidupkan dan mematikan jauh lebih cepat daripada angker relay mekanik. Tidak ada memicu antara kontak, dan tidak ada masalah dengan korosi kontak yang ada[9]. H. Motor Induksi Motor induksi, merupakan motor listrik bolak-balik yang bekerja berdasarkan induksi medan magnet antara rotor dan stator. Motor induksi bekerja berdasarkan induksi elektromagnetik dari kumparan stator kepada kumparan rotornya. Garis-garis gaya fluks yang diinduksikan dari kumparan stator akan memotong kumparan rotornya sehingga timbul tegangan induksi dan karena penghantar kumparan rotor merupakan rangkaian yang tertutup, maka akan mengalir arus pada kumparan rotor. Kumparan rotor yang dialiri arus ini berada dalam garis gaya fluks yang berasal dari kumparan stator sehingga kumparan rotor akan mengalami gaya Lorentz yang menimbulkan torsi yang cenderung menggerakkan rotor sesuai dengan arah pergerakan medan induksi stator. Pada rangka stator terdapat kumparan stator yang ditempatkan pada slotslotnya yang dililitkan pada sejumlah kutup tertentu. Jumlah kutup ini menentukan kecepatan berputarnya medan stator yang terjadi yang diinduksikan ke rotornya. Makin besar jumlah kutup akan mengakibatkan makin kecilnya kecepatan putar medan stator dan sebaliknya. Kecepatan berputarnya medan putar ini disebut kecepatan sinkron [10].
4 I. Gambaran Umum Sistem Cara kerja sistem diawali dengan penentuan set point kadar air dan suhu. Kemudian sistem dinyalakan dengan cara menghidupkan semua komponen sistem. Pada saat sistem aktif, sensor kadar air mulai membaca nilai kadar air gabah dan sensor suhu mulai membaca suhu udara yang masuk. Sensor kadar air tidak langsung dibaca oleh mikrokontroller tetapi terlebih dahulu dirubah besarannya menjadi besaran frekuensi oleh osilator. Frekuensi ini kemudian dihitung didalam mikrokontroller untuk menentukan kadar air gabah. Suhu udara yang masuk, dijaga agar sesuai set point. Pada saat sistem aktif, sensor kadar air akan terus membaca nilai kadar air gabah. Sistem akan mati saat sensor kadar air mendeteksi bahwa gabah sudah kering dengan nilai kadar air gabah sesuai set point. Berikut diagram blok sistem secara umum, K. Perancangan Perangkat Lunak Perancangan perangkat lunak terdiri dari program untuk pembacaan sensor dan program untuk kontrol. Gambar 9. Diagram blok pembacaan sensor kadar air Gambar 10. Diagram blok pembacaan sensor suhu Proses kontrol sistemnya digambarkan melalui diagram blok berikut, Gambar 11. Diagram blok kontrol sistem Gambar 7. Diagram Blok Sistem J. Perancangan Perangkat Keras Proses kontrol sistem diawali dengan penentuan set point kadar air gabah yang ingin dicapai. Setpoint ini kemudian akan dihitung selisihnya dengan pembacaan aktual dari sensor kadar air untuk mendapatkan error. Dari nilai error ini, masuk kedalam kontroller P untuk mendapatkan setpoint suhu dalam derajat celcius. Kemudian akan dicari selisihnya terhadap pembacaan aktual sensor suhu untuk mendapatkan error suhu. Error ini kemudian akan masuk kedalam kontroller PID. Outputan dari kontroller PID ini berupa pulsa PWM yang digunakan untuk mengontrol panas heater. Dari proses ini dihasilkan suhu heater yang terkontrol. Proses ini akan berjalan terus menerus sampai didapatkan gabah dengan kadar air sesuai set point secara otomatis. III. HASIL PENGUJIAN A. Pengujian Sensor Kadar air Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui nilai frekuensi yang dihasilkan osilator berdasarkan pembacaan sensor kadar air terhadap kadar air gabah. Gambar 8. Diagram blok perangkat keras sistem perangkat keras sistem terdiri dari blower untuk memasukkan udara dari luar masuk ke tabung pengering dimana gabah diletakkan. Heater sebagai komponen penghasil panas, sensor suhu untuk mendeteksi suhu udara panas yang masuk ke tabung pengering. Didalam tabung pengering terdapat sensor kapasitif untuk mendeteksi kadar air gabah. SSR digunakan untuk mengaktifkan heater, blower, dan motor penggerak melalui mikrokontroller. Gambar 12. Skematik rangkaian osilator CD4046B Terdapat dua sensor kadar air yang diuji dalam penelitian ini yaitu sensor kapasitif plat sejajar dan sensor kapasitif silinder sejajar.
5 Hasil pengujian sensor kapasitif silinder sejajar ditunjukkan oleh tabel 2 Gambar 13. Sensor kapasitif plat sejajar tampak atas Spesifikasi sensor kapasitif plat sejajar memiliki panjang plat 12 cm, tebal plat 7 mm, tinggi plat 3,9 cm, jarak pemisah antar plat 2cm, plat ditutup dengan bahan teflon berwarna putih. Pengujian dilakukan dengan cara membandingkan antara kadar air yang terbaca pada grain moisture meter MD7822 dengan nilai frekuensi osilator berdasarkan pembacaan sensor kapasitif terhadap kadar air gabah yang ditunjukkan pada tabel 1. Tabel 2. Data hasil pengujian sensor kapasitif silinder sejajar Kadar Air (%) Range Frekuensi (Hz) Frekuensi Rata - Rata (Hz) 14 595955-596221,8 596088,4 15 570538,4-571329,2 570933,8 22 535763,4-537572,5 536668 30 434333,4-436773,8 435553,6 Dari data pada tabel 2 kemudian dilakukan proses linierisasi untuk mendapatkan persamaan yang digunakan untuk mendekati nilai kadar air berdasarkan frekuensi output osilator. Gambar 14. Penggunaan MD7822 Tabel 1. Data hasil pengujian sensor kapasitif plat sejajar Kadar air (%) Range Frekuensi (khz) Frekuensi ratarata (khz) 14% 681,466-688,247 684,8565 15% 674,112-680,845 677,4785 16% 655,037-669,713 662,375 17% 671,786-681,755 676,7705 18% 633,891-648,491 641,191 20% 618,067-618,067 618,067 21% 591,163-606,129 598,646 22% 573,487-573,487 573,487 23% 562,534-589,264 575,899 26% 556,42-570,955 563,6875 27% 554,057-567,476 560,7665 32% 464,377-510,867 487,622 Spesifikasi sensor kapasitif silinder sejajar yang diuji terbuat dari bahan aluminium, memiliki panjang 17 cm, diameter silinder masing masing 8 mm, antar silinder dipisahkan jarak sebesar 1,5 cm, dan memiliki nilai kapasitansi 80, 5 pf. Gambar 16. Grafik linierisasi data sensor kapasitif Dari grafik yang ditunjukkan pada gambar 16 didapatkan persamaan Frekuensi (Hz) = -9330*kadar air + 723750 (4) Atau Kadar air (%) = (5) Untuk mengetahui nilai kapasitansi sensor terhadap kadar air dilakukan pengujian menggunakan LCR meter. Hasil pengujian ditunjukkan pada tabel 3. Tabel 3. Data kapasitansi sensor terhadap kadar air Kadar Air Gabah (%) Kapasitansi Sensor (pf) 24 171,3 22,5 122,8 19 112,2 18,5 111,5 17 104,7 16 101,3 15 97,3 14 94 Gambar 15. Sensor kapasitif silinder sejajar
6 Kemudian dilakukan linierisasi untuk mendapatkan persamaan yang digunakan untuk mendekati nilai kapasitansi sensor terhadap kadar air gabah yang ditunjukkan pada gambar 17. Tabel 4. Data hasil pengujian sistem keseluruhan Terlihat pada tabel 4 bahwa sistem telah mampu mengeringkan gabah basah menjadi gabah kering dengan kadar air maksimum gabah 14%. Dari tiga kali pengujian, terlihat bahwa pada pengujian awal, sistem membutuhkan waktu yang sangat lama untuk dapat mengeringkan gabah. Hal ini disebabkan karena kadar air awal gabah pada pengujian pertama ini lebih tinggi dibandingkan dua pengujian berikutnya. Gambar 17. Grafik linierisasi kapasitansi sensor terhadap kadar air gabah Kapasitansi (pf) = 6,5038 x kadar air (%) 3,8808 (6) B. Pengujian Heater Pengujian heater dilakukan dengan memberikan sinyal unit step pada sistem dan melihat responnya. Pengujian ini diperoleh parameter-parameter PID Kp = 35, KI = 9, KD = 3. IV. KESIMPULAN Pada penelitian ini telah dibuat suatu alat pengering gabah yang menggunakan sensor kapasitif dan kontrol PID untuk mengendalikan suhu heater. Sensor kapasitif yang dibuat telah mampu mengukur kadar air gabah dari 12 % sampai 35%. Hubungan antara tingkat kadar air gabah dengan frekuensi output osilator adalah berbanding terbalik, dimana semakin tinggi kadar air gabah akan menghasilkan frekuensi sinyal output osilator yang semakin rendah. Suhu tabung pengering dijaga sebesar 90 o C. Dari hasil pengujian menunjukkan bahwa sistem ini telah mampu mengeringkan gabah dari kadar air 35% menjadi 14% dalam waktu 140 menit secara otomatis. Gambar 18. Grafik pengujian PID pada heater C. Pengujian sistem keseluruhan `Pada tahap ini dilakukan pengujian sistem secara keseluruhan dengan menerapkan kontroller pada sistem untuk mendapatkan kadar air gabah maksimum 14%. V. DAFTAR PUSTAKA 1. Instruksi presiden Republik Indonesia nomor 3 tahun 2012 Tentang Kebijakan Pengadaan Gabah/Beras dan Penyaluran Beras Oleh Pemerintah. 2. Datasheet LM35,National Semiconductor,Inc.2000. 3. Bell, David (1981). Solid State Pulse Circuits.Virginia : Reston publishing. 4. Baxter, Larry., Capasitive Sensors Design and Application, IEEE Press, New York, 1997. 5. Carr, Josep (1993). Sensors and Circuits.New Jersey : Prentice Hall 6. Datasheet 4046, Texas Instruments, Inc.2003. 7. Datasheet ATMEGA32,Atmel,Inc.2006 8. Ogata. Katsuhiko., Teknik Kontrol Automatik,Erlangga, Jakarta,1996 9. Purnama. Agus, Solid State Relay, <URL: http:// http://elektronika-dasar.web.id/artikel-elektronika/kelebihan-dankekurangan-solid-state-relay-ssr/>,2014. 10. Arif, Alpin., motor AC, <URL: http://blogs.itb.ac.id/el2244k0112211077alpinarief/2013/05/02/moto r- ac/>,2014. Gambar 19. Perangkat keras sistim keseluruhan